噴霧冷卻流化床的原理及節(jié)能效果分析

張海濱,覃新艷,陳際顯,張慶磊,彭麗華

(山東天力能源股份有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

工業(yè)中普遍采用的干燥工藝為熱力干燥,即利用熱源的加熱作用讓物料和物料中的水分共同升溫,增大物料中水分的蒸氣壓,增加物料中水分和周邊氣氛的壓力梯度,形成推動(dòng)力,使物料中的水分汽化后向周邊氣氛擴(kuò)散,從而達(dá)到干燥的目的。因此,基于熱力干燥原理的干燥工藝在干燥物料的同時(shí),也會(huì)使物料的溫度升高。

鹽、堿、硝、氯化銨等無機(jī)鹽物料均具有一定的吸濕性。在密閉空間中,溫度高的物料能使周圍氣氛中的水蒸氣富集、結(jié)露,然后被物料再度吸收,很容易使物料局部結(jié)塊,影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,為了避免物料包裝后結(jié)塊,在熱力干燥后,需要對(duì)物料進(jìn)行冷卻。

無機(jī)鹽物料可用的冷卻方式較多,按照主機(jī)類型劃分,有回轉(zhuǎn)冷卻機(jī)、流化床冷卻機(jī)、粉體流冷卻機(jī)、氣流冷卻機(jī)、夾套螺旋冷卻機(jī)等。按照物料與冷卻介質(zhì)的接觸方式劃分,可分為直接接觸式、間接換熱和混合換熱等。以上冷卻技術(shù)存在一個(gè)共同點(diǎn):用冷卻介質(zhì)以顯熱的方式和物料換熱,用冷卻介質(zhì)的升溫?fù)Q取物料的降溫。由于顯熱的熱量較少,傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)是一種較低效的換熱過程,完成物料冷卻所需設(shè)備的尺寸、占地、投資和運(yùn)行成本均較高。

在專利ZL 2021 2 2212004.4中提出了一種利用水的潛熱對(duì)物料降溫的噴霧冷卻流化床[3],文章介紹該技術(shù)的原理和節(jié)能效果。

1 噴霧冷卻流化床的結(jié)構(gòu)及工作原理

噴霧冷卻流化床的基本結(jié)構(gòu)是一種內(nèi)置霧化噴頭的冷卻流化床。其主體為流化床,可采用普通流化床,也可采用內(nèi)置換熱管的流化床。根據(jù)物料特性和流化床工作時(shí)的流化速度,可以將霧化噴頭設(shè)置在流化層、流化床上方,也可以設(shè)置在氣室內(nèi)部。噴霧冷卻流化床的基本結(jié)構(gòu)和工藝流程見圖1。

圖1 噴霧冷卻流化床的結(jié)構(gòu)及工藝流程Fig.1 Structure and technological process of spray cooling fluidized bed

噴霧冷卻流化床工作時(shí),鼓風(fēng)機(jī)通入流化風(fēng),使物料在床層呈流化態(tài),用霧化噴頭將冷卻水噴灑呈霧狀。在流化風(fēng)的擾動(dòng)作用下,冷卻水霧滴、物料顆粒和流化風(fēng)劇烈混合。

由于物料溫度較高,攜帶較多的熱量,而流化風(fēng)的含水率較低,有較強(qiáng)的攜濕能力。通過傳質(zhì)、傳熱作用,霧狀液滴和流化風(fēng)吸收物料中的熱量而升溫。當(dāng)液滴溫度超過流化風(fēng)的相平衡溫度后,霧狀液滴汽化為水蒸氣,進(jìn)入到流化風(fēng)中。以上過程中,液滴汽化需要的潛熱均來自物料降溫釋放的潛熱,實(shí)現(xiàn)了利用潛熱冷卻物料的目的。

噴霧冷卻流化床工藝的關(guān)鍵技術(shù)在以下三個(gè)方面:(1)根據(jù)物料處理量和物料溫度,設(shè)計(jì)、控制適合的噴淋水量,避免噴淋水過多未全部汽化,增加物料濕度。(2)合理設(shè)計(jì)霧化噴頭的數(shù)量和安裝位置,既要避免噴水不均造成床層局部過濕,又要避免噴霧方向靠近設(shè)備表面,使霧滴凝結(jié),形成壁流。(3)選擇適合的霧化噴頭,使霧滴均勻,有良好的分散性,且噴頭結(jié)構(gòu)不易被顆粒堵塞。

噴霧冷卻流化床對(duì)流化風(fēng)無特殊要求,在濕度低的地區(qū)和季節(jié),采用自然空氣即可;對(duì)于濕度大的地區(qū)或季節(jié),設(shè)置表冷器,將自然空氣降溫除濕后再用作流化風(fēng)。

該技術(shù)的應(yīng)用前提是物料的溫度較高,能夠提供噴霧液滴汽化所需的熱量。通常來說,被冷卻物料的溫度不低于70 ℃,冷卻后的物料溫度不低于50 ℃為宜。

該技術(shù)在冬季和夏季應(yīng)用效果不同。夏季環(huán)境溫度高,流化風(fēng)溫度較高,物料較難冷卻,可加入較多的噴淋水使物料降溫;冬季環(huán)境溫度低,流化風(fēng)溫度較低,物料較易冷卻,則加入較少的噴淋水。

2 噴霧冷卻流化床的換熱分析

2.1 換熱分析

連續(xù)運(yùn)行的冷卻機(jī)和外界既有物質(zhì)交換又有能量交換,可以看做是一個(gè)開放系統(tǒng),為便于分析,可將冷卻機(jī)的設(shè)備邊界視為系統(tǒng)邊界。系統(tǒng)和外界交換的物質(zhì)和能量如下。

(1)物質(zhì)能量交換一。高溫物料的輸入GcsT1和低溫物料的輸出GcsT2。冷卻物料的質(zhì)量流量為G,物料比熱為cs,物料冷卻前后的溫度分別為T1和T2。

(2)物質(zhì)能量交換二。流化風(fēng)的輸入LI1和冷卻尾氣的輸出LI2。流化風(fēng)的絕干質(zhì)量流量為L(zhǎng),流化風(fēng)進(jìn)、出流化床的焓值分比為I1和I2。

(3)物質(zhì)能量交換三。噴霧水的輸入Wcwtw和水蒸氣的輸出。僅噴霧冷卻流化床有此項(xiàng)。其中,輸出水蒸氣的物質(zhì)和能量包含在冷卻尾氣LI2中。噴霧水的質(zhì)量流量為W,比熱為cw,溫度為tw。

(4)僅能量交換一。系統(tǒng)向環(huán)境空氣散熱Qf。

(5)僅能量交換二。冷卻介質(zhì)帶走的熱量Qh。僅內(nèi)置換熱管的流化床有此項(xiàng)。

如無特殊說明,文章中各項(xiàng)參數(shù)均采用國(guó)際單位制(SI)。

連續(xù)運(yùn)行的冷卻機(jī)系統(tǒng)能量守恒,其收入的能量和支出的能量相等(見圖2),即:

圖2 冷卻系統(tǒng)的物料和能量平衡圖Fig.2 Material and energy balance diagram of the cooling system

GcsT1+LI1+Wcwtw=GcsT2+LI2+Qf+Qh

(1)

該平衡系統(tǒng)中,可按照能量的來源分類計(jì)算。

物料降溫放出的熱量:

Q1=GcsT1-GcsT2=Gcs(T1-T2)

(2)

流化風(fēng)升溫及尾氣攜帶水蒸氣吸收的熱量:

Q2=LI2-LI1=L(I2-I1)

(3)

其中,流化風(fēng)的焓值可通過下式計(jì)算:

I1=(1+1.88x1)t1+2 491x1

(4)

I2=(1+1.88x2)t2+2 491x2

(5)

式中:x1、x2為流化風(fēng)進(jìn)、出流化床的濕含量,單位kg水/kg絕干;t1、t2為流化風(fēng)進(jìn)、出流化床的溫度,單位℃。

內(nèi)置換熱管吸收的熱量:

Qh=KsΔT

(6)

式中:K、s、ΔT分別為內(nèi)置換熱管的總傳熱系數(shù)、換熱面積及換熱介質(zhì)和被冷卻物料的對(duì)數(shù)平均溫差。

噴霧水的初始溫度為tw,冷卻尾氣同時(shí)排出流化床時(shí),其溫度和冷卻溫度相同,為t2。噴霧水吸收的熱量Qw可以分為兩部分。

噴霧水升溫吸收的熱量:

Qw1=Wcw(t2-tw)

(7)

噴霧水汽化吸收的熱量:

Qw2=Wγ

(8)

Qw=Qw1+Qw2

(9)

式中:γ為水在t2溫度時(shí)的汽化熱。

冷卻機(jī)系統(tǒng)的能量守恒也可用熱量守恒的形式用下式表示,分別計(jì)算:

Q1=Q2+Qh+Qw+Qf

(10)

對(duì)于無內(nèi)置換熱管的普通流化床,上式可簡(jiǎn)化為:

Q1=Q2+Qw+Qf

(11)

為簡(jiǎn)化計(jì)算,系統(tǒng)散熱Qf可取物料降溫放熱Q1的10%～15%。

由公式(10)和(11)可以看出,噴霧水吸收的熱量Qw越多,流化風(fēng)吸收的熱量Q2和內(nèi)置換熱管吸收的熱量Qh越少。Q2和Qh減少,意味著需要的流化風(fēng)量和流化床的尺寸均減小,可以減少設(shè)備投資、占地,降低運(yùn)行能耗。

為了衡量噴霧冷卻流化床的節(jié)能效果,設(shè)定一個(gè)參數(shù)節(jié)能因子η,代表噴霧水吸收的熱量占物料降溫放出熱量的百分比。

(12)

2.2 實(shí)例

以50 t/h氯化鈉冷卻為例,初始溫度80 ℃,冷卻目標(biāo)溫度55 ℃。對(duì)冬季和夏季兩種工況分別分析,冬季環(huán)境氣溫取5 ℃,夏季環(huán)境氣溫取30 ℃。主要參數(shù)見表1。

表1 冷卻系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameters table of cooling system

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)噴霧冷卻流化床,并和無噴霧的流化床進(jìn)行對(duì)比。為保障產(chǎn)能和工藝性能,設(shè)備選型應(yīng)考慮到最惡劣工況,因此,設(shè)備按照夏季工況做選型,再研究冬季工況下能夠達(dá)到的性能。

噴霧冷卻流化床可利用物料自身的熱量使噴淋水汽化,利用冷卻介質(zhì)的潛熱,相同溫度下,潛熱的數(shù)值約為顯熱的560倍。因此,可以大幅度縮小設(shè)備尺寸。

從表2的選型結(jié)果可以看出,對(duì)于無換熱管的普通流化床,采用噴霧冷卻,流化床面積減少48.4%,流化風(fēng)量減少50%,風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率降低45.9%,節(jié)能因子可達(dá)50%以上;對(duì)于內(nèi)置換熱管的流化床,采用噴霧冷卻,流化床面積可減少27%,流化風(fēng)量減少28.6%,風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率降低30.6%,節(jié)能因子可達(dá)33.6%。

表2 夏季工況流化床選型對(duì)比Tab.2 Comparison of fluidized bed selection in summer

噴淋水汽化提高了冷卻尾氣的濕度,但露點(diǎn)仍比冷卻尾氣溫度低20 ℃以上,且低于環(huán)境溫度,可保障尾氣在運(yùn)行過程中不結(jié)露。

以上設(shè)備在冬季工況下運(yùn)行。由于設(shè)備選型已確定,流化床面積、物料處理量、流化風(fēng)量不可改變,可以調(diào)節(jié)的參數(shù)僅有冷卻水量和噴霧冷卻流化床的噴淋水量。由于冷卻介質(zhì)的溫度降低,冷卻后的物料溫度也會(huì)降低。運(yùn)行參數(shù)結(jié)果見表3。

表3 冬季工況下冷卻流化床運(yùn)行參數(shù)Tab.3 Operating parameters of cooling fluidized bed in winter

由表3可以看出,冬季工況下,無噴霧冷卻的流化床能把物料冷卻到遠(yuǎn)低于目標(biāo)冷卻溫度的低溫,造成浪費(fèi)。而有噴霧冷卻的流化床,可以通過停止或減少噴水量的措施,將物料冷卻至目標(biāo)溫度以下,又不至于溫度過低而造成浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)能量合理利用。

3 總結(jié)

噴霧冷卻流化床最顯著的特征是在冷卻流化床內(nèi)部設(shè)置了霧化噴頭,利用物料自身的熱量使噴淋水汽化,實(shí)現(xiàn)了利用冷卻介質(zhì)的潛熱降低物料溫度的功能。

分析結(jié)果表明,采用噴霧冷卻的方式,可以大幅度縮小冷卻流化床的尺寸,減少流化風(fēng)量,降低裝機(jī)功率,從而減少冷卻機(jī)的運(yùn)行能耗。該設(shè)備適合作為夏季惡劣工況下物料降溫的輔助手段,用較小的設(shè)備,較低的能耗就能滿足冷卻需求。